Es ist ein grausames Paradoxon, dass auf einem Planeten, dessen Oberfläche größtenteils von Wasser bedeckt ist, Hunderte Millionen Menschen keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser haben. Einer der Hauptverursacher der Verschmutzung von Trinkwasser und natürlichen Wasserquellen ist Arsen, ein reichlich vorhandenes und giftiges Element in der Erdkruste. Arsen ist derzeit in mehr als 100 Ländern als Verursacher von Grundwasserverschmutzung bekannt – und kann vor allem für die Bevölkerung in Entwicklungsländern lebensbedrohliche Krankheiten hervorrufen. Solche Umstände erfordern effiziente und zuverlässige Arsen-Nachweismethoden für Wasser, Nahrung und Boden.
In Zeitschrift für Angewandte Physikvon AIP Publishing, stellte ein Team französischer Wissenschaftler empfindliche nanostrukturierte Silberoberflächen her, um Arsen selbst in sehr geringen Konzentrationen nachzuweisen.
Die Sensoren nutzen die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS). Da ein arsenhaltiges Molekül an der Oberfläche haftet, wird es ebenfalls mit einem Laser getroffen. Die Arsenverbindung streut das Laserlicht und erzeugt eine identifizierbare Signatur, die ihre Anwesenheit anzeigt.
„Arsen kommt im Wasser in verschiedenen Formen vor, daher ist es wichtig, neben dem globalen Gehalt auch die Spezies quantifizieren zu können“, sagte Autorin Dominique Vouagner. „Durch die Verwendung von SERS können wir Schadstoffe selbst in der niedrigsten Konzentration erkennen und speziieren. Dazu gehört Arsen, das gemäß den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation 10 ppb nicht überschreiten sollte.“
Das Team verglich die Erkennungs- und Speziationsleistung von zwei SERS-Substraten. Einer wurde durch herkömmliches thermisches Verdampfen hergestellt, wobei das Material erhitzt wird, bis es verdampft. Das andere wurde mit einem stromlosen Verfahren hergestellt, bei dem eine Beschichtung auf einem Material abgeschieden wird, indem es in eine Flüssigkeit getaucht und eine chemische Reaktion ausgelöst wird. Letzteres erwies sich laut Vouagner als viel empfindlicher und ist relativ einfach und sicher herzustellen.
„Unsere Technik zur Entwicklung dieses SERS-Substrats macht es einfach herzustellen, da die stromlosen Filme leicht auf verschiedenen Substraten abgeschieden werden können“, sagte sie. „Außerdem weisen die Ausgangsverbindungen eine geringe Umwelttoxizität auf, was sowohl für Nachweismessungen in natürlichem als auch in Trinkwasser von Vorteil ist.“
Die Technik ist eine Abkehr von bestehenden Referenzmethoden zur Speziation von Arsenspuren, die zeitaufwändig und teuer sind. Herkömmliche Methoden erfordern auch eine Probenvorbehandlung in einem Labor, sodass sie nicht ideal für Feldtests vor Ort geeignet sind.
Außerdem verwendet das neue Verfahren die Verwendung eines festen Substrats, das eine optische Abfrage ermöglicht.
„Weil sie weniger ‚rauschen‘ sind, sind optische Erkennungssysteme viel empfindlicher als elektronische Systeme“, sagte der Autor Bernard Dussardier. „Gleichzeitig sind sie weniger empfindlich gegenüber parasitären elektromagnetischen Feldern. Außerdem ermöglicht die SERS-Technik direkte Messungen physikalisch-chemischer Eigenschaften, während elektronische Systeme und einige andere optische Systeme indirekt sind.“